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超细粉碎加工技术根据粉碎加工技术的深度和粉体物料物理化学性质及应用性能的变化，一般将细粉体和微细粉体分为10—1000μm（细粉），0.1—10μm（超细粉）和0.001—0.1μm的细粉一般采用传统的粉碎或磨粉设备及相应的分级设备等进行加工，这种加工技术称为磨粉；小于0.1μm的超微细粉目前还难以完全用机械粉碎的方法加工，需要采用其他物理，化学，方法进行加工；一般将加工0.1—10μ的超细粉体和相应的分级技术称为超细粉碎。超细粉碎技术与现代产业发展超细粉碎技术是伴随现代高技术和新材料产业，如微电子和信息工程，高技术陶瓷，高技术陶瓷和耐火材料，高聚物基复合材料，生物化工，航天技术，新能源等以及传统产业技术进步和资源综合利用及深加工等发展起来的一项新的粉碎工程技术。现已成为最重要的工矿物及其他原材料深加工技术之一，对现代高新技术产业的发展具有重要的意义。超细粉体由于粉度细，分布窄，质量均匀，缺陷少，因而具有比表面积大，表面活性高，化学反应速度快，溶解度大，烧结温度低且烧结体强度高，填充补强性能好等特性以及独特的电性，磁性，光学性能，广泛应用与高科技陶瓷，微电子及信息材料，塑料，橡胶及复合材料填料，润滑剂及高温润滑材料，精细磨料及研磨抛光剂，造纸填料及涂料高级耐火材料及保温隔热材料等高技术和新材料产业。具有特殊功能的高科技陶瓷是近20年迅速发展的新型材料，被称之为继金属材料和高分子材料后的第三大材料。在制备高性能陶瓷材料时，原料越纯，粒度约细，材料烧成温度约低，强度和韧性越高，一般要求原料的粒度小于1μm甚至0.1μm。超细粉碎技术与设备的新进展及发展趋势郑水林(武汉工业大学北京研究生部,北京100024)摘要综述了近5年来超细粉碎与分级技术的新进展及21世纪初的发展趋势。关键词超细粉碎;精细分级;设备伴随着超细粉体材料在现代工业中的广泛应用,20年来超细粉碎和精细分级技术已发展成为重要的非金属矿及其它原材料深加工技术之一。近5年来,超细粉碎和精细分级技术在微电子、高级陶瓷、高聚物基复合材料、新型建材、高级纸张、高档油漆涂料、精细化工、药品和保健品等应用领域的需求驱动下又有了新的进展。这一进展主要体现在设备结构的创新、单机处理能力、耐磨性、工艺配套、自动控制以及单位产品能耗等性能的改进。在中国,从1995年至今,超细粉碎与精细分级技术及设备也取得了明显的进展,具有自主知识产权或发明专利的超细粉碎技术和设备的数量较前10年显著增加。以下就这一进展的主要方面进行简单综述。1超细粉碎目前,国内外超细粉碎设备的主要类型有气流磨、机械冲击式超细磨机、搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨、旋风自磨机、离心磨、高压射流粉碎机等。其中气流磨、机械冲击式超细磨机、旋风自磨机等为干式超细粉碎设备;高压射流粉碎机、搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机、塔式磨等既可以用于干式也可以用于湿式超细粉碎〔1〕。111气流磨目前工业上应用的气流磨机主要有扁平(圆盘)式、循环管式、靶式、对喷式、流化床逆向喷射式等几种机型,几十种规格。这些气流磨广泛用于滑石、石墨、硅灰石、锆英石、高岭土、重晶石等非金属矿物以及磨料(碳化硅、氮化硼、石榴子石、刚玉等)、化工原料、粉剂农药、颜料、保健药品、稀土等的超细粉碎加工。1995年以来国产气流磨在仿制和消化吸收国外设备的基础上有所创新,尤其是在靶式气流磨、流化床式气流磨以及提高气流磨的耐磨性等方面。在国产塔靶式气流磨基础上改进的球靶式气流磨克服了现有靶式气流磨的不足,使靶面磨损减轻、不易积料,提高了粉碎效率和粉碎细度。这种改进后的球靶式气流磨的主要技术参数为:工作压力016MPa;耗气量10～20m3/min;压缩机功率75kW;辅助功率10kW;给料粒度≤150μm;产品细度(d97)3～20μm;产量80～160kg/h。这种气流磨用于重质碳酸钙的超细粉碎加工,产品平均粒径(d50)015μm,d95=2μm;d97=3μm;最大粒径9μm〔2〕。图1和图2所示是在ALPINE流化床式气流磨基础上改进的新式流化床式气流磨。其中图1所示的改进型对撞式流化床气流磨的特点是:增大了现有对撞式流化床气流磨传输区Ⅱ的长度,使其长度L/直径D达到3～10,在分级区Ⅰ和粉碎区Ⅲ之间增加足够高的磨体。使传输区Ⅱ气流平稳,分级轮负荷减少,能获得更高产量和理想的粒径,而且机器运转平稳可靠,调机工作量减少,明显地改善了对撞式流化床气流磨的性能[中国实用新型专利CN2302950Y,1999年1月6日公开]。图3所示的对喷式流化床超细气流粉碎机的主要特点是:在每个超音速气流喷嘴产生的气射流前面都设置了混合管,使每股气流都能携带尽可能多的颗粒做高速运动,产生碰撞,提高了粉碎效率;在粉碎室内设置的上升筒及物料流导向体使碰撞后的气固流得到控制,尤其是控制流化原料的气量,使流化气量既可保证原料均匀分布在各混合管的入口前,同时又不致使大颗粒上升到分级区,有利于分级;设置二次风口,引入二次风防止小颗粒随大颗粒一起下降到混合管的入口处,产生过磨现象,保证粒度的均匀性,同时提高产量[中国发明专利CN1129610A,1996年8月28日公开]。江苏昆山市超微粉碎机厂首次在引进德国630AFG机型的基础上开发成功了QYF-720型流化床气流粉碎机,提高了国产流化床气流粉碎机的单机处理能力。112机械冲击式超细粉碎机目前,机械冲击式超细粉碎机的主要机型有:日本细川公司的超细粉磨机(国内机型为CM51型超细粉碎机)、德国ALPINE公司的Circoplex分级研磨机(国内机型为JZC-400型和CZM型)、在离心自磨机基础上开发的DJM900型超细粉碎机、多级粉碎及分级磨机和CLM-2型多级高效旋磨分选超细粉磨机[中国实用新型专利CN2250807Y,1997年4月2日公开]。这些超细粉碎机广泛应用于煤系高岭土、方解石、大理石、白垩、滑石、叶腊石等中等硬度以下非金属矿物以及化工原料、农药等的超细粉碎加工,产品细度一般可达到d97=10μm,配以高性能的精细分级机后可以生产d97=5～10μm的超细粉体产品。机械冲击式超细粉碎机是国内超细粉碎技术与设备研制开发成效最显著的领域之一,近5年来发展迅速,如获得中国实用新型专利的高产窄分布超细粉磨机[中国实用新型专利CN2313663Y,1999年4月14日公开]、立式高速离心超细粉碎机[中国实用新型专利CN2290402Y,1998年9月9日公开]、立式风选超细度涡轮粉碎装置[中国实用新型专利CN2295530Y,1998年10月28日公开]、双吸双磨超细磨机[中国实用新型专利CN2310621Y,1999年3月17日公开]、旋风式无介质精细磨机[中国实用新型专CN2321522Y,1999年6月2日公开]、多功能超级微粉机[中国实用新型专利CN2230184Y,1996年7月3日公开]、离心式超细粉磨机[中国实用新型专利CN2274985Y,1998年2月25日公开],湍流超细粉磨装置[中国实用新型专利CN2247561Y,1997年2月19日公开]等。旋风或飓风自磨机是我国自主研制开发的一种新型干式细粉碎和超细粉碎设备。它利用特殊设计的高速回转装置产生高频脉动旋转气流场,使加入粉碎机内的颗粒物料互相冲击、摩擦、剪切或切削实现粉碎。表1所示是四川成都微纳实业有限公司等厂家生产的JFM旋风或飓风自磨机的主要技术参数。这种粉碎机已用于石灰石、方解石、大理岩、滑石、硅灰石、高岭石、重晶石、长石、炉渣等物料的粉碎加工,给料粒度≤40mm,产品细度可在d97=10～40μm(400～1250目)之间不停机地进行调节。外置精细分级机后这种设备可生产d97=6～7μm左右的超细粉体产品。用JFM800对石灰石进行的试生产结果如下:产品细度d97=16～22μm(600～800目),产量1400～1800kg/h,单位产品能耗70～90kW·h/t。这种超细自磨机可用于加工针状硅灰石粉,图3所示为用JFM800生产的针状硅灰石粉体样品的电镜照片,颗粒的长径比平均达12以上,平均粒径6～15μm,产量1200～1500kg/h,单位产品能耗100～140kW·h/t。图4所示是爱益工程技术有限公司的新型机械冲击式超细粉磨机。这种粉磨机借助转子高速旋转产生高频激波,其核心部分是由一组按顺序排列的具有特定几何形状的转子组成的。当转子以高速旋转时产生高频激波,粉磨时,物料在高频激波的作用下经较短时间的膨胀,物料因其中的裂纹、脆弱部位、晶界或异质界面等处受到拉应力的作用而被粉碎或撕裂。113介质超细研磨机介质超细研磨机有搅拌球磨机、振动球磨机、旋转筒式球磨机和研磨剥片机、塔式磨、砂磨机等几种类型。国产搅拌球磨机在磨机结构和搅拌机构等方面有所改进,如棒盘搅拌超细湿磨机[中国实用新型专利CN2249636Y,1997年3月19日公开]。这种搅拌磨机的结构特点是在每层圆盘之间有1～2层呈十字交叉排列的半椭圆型搅拌棒,具有起动力矩小、单位产品能耗低等优点,已用于高岭土、重质碳酸钙等非金属矿的湿式超细粉碎,产品细度达d97=2μm左右国产研磨剥片机采用多级串联配置、连续湿法研磨方式,产品细度可达d97=2μm左右。近3年来开发的300和500型大型研磨剥片机在原80型的基础上做了较大的改进,不仅提高了单机产量,而且降低了能耗、简化了超细研磨工艺,图5所示为2种不同外形的500型超细研磨剥片机。JM型立式螺旋搅拌球磨机是在塔式磨基础上开发的一种新型搅拌球磨机,既可湿式粉碎也可干式粉碎,湿式粉碎产品细度可达d97=2μm左右,干式粉碎产品细度可达d97=10μm左右,已经在电解锰、重质碳酸钙、云母、高岭土、重晶石、氧化铁红、铁氧体、锆英砂、炉渣等的细磨或超细磨以及金银矿、钼矿、铜矿、铅锌矿等的再磨中得到应用〔3〕。所示是一种新型的搅拌塔式磨机,其特点是:螺旋搅拌器采用变径的螺旋体,使搅拌在不同的浓度、不同的压力区间具有不同的工作状态,增强了介质与物料间的冲击、摩擦、剪切作用,从而提高了研磨效率;螺旋搅拌器的尾轴端设置在底座带有的轴承座上,消除了容易偏心,提高了螺旋搅拌器工作旋转的稳定性,减少了噪音和振动,降低了能耗,并提高了整机的使用寿命[中国实用新型专利CN2267858Y,1997年11月19日公开]。图7所示一种新型结构的卧式、多室/鼠笼转子搅拌磨机,其主要特点是:传动装置采用液力偶合器,当磨机力矩超限进可自动进行保护;磨筒分隔成多个分室,各分室介质粒度可相同,也可不相同;鼠笼转子结构,使介质产生圆周运动、径向运动、轴向运动、高频振动等综合运动,提高了分散等作用,提高磨矿效率;由于磨机的机械能主要转化为粉碎能,热损耗少;不设冷却装置[中国发明专利CN1203123A,1998年12月30日公开]。所示为近几年研制的马斯(Maxx)型偏心搅拌球磨机。物料在这种搅拌磨中受到3种粉碎作用:(1)搅拌区域球介质的强力运动产生的冲击和磨剥作用;(2)刮壁刀前面的后尾部产生的强力摩擦;(3)研磨室底部附近的高压应力。这种搅拌磨既可干法研磨,也可湿法研磨,其特点是具有独特的偏心搅拌和旋转的磨控〔4〕。国产振动球磨机近年来最主要的进展之一是西安理工大学开发的双电机驱动自同步激振超细振动磨机(019m3,6～9g),该振动磨机在采用三维动力有限元法对磨机结构进行了三维振型分析,实现了对磨机振动参数的有效控制,使该设备在研磨产品细度、产量、单位产品能耗、噪音及耐磨性等方面有较大进步。这种新型振动磨机已在高岭土、重质碳酸钙、矿渣、水泥熟料、重晶石等物料的超细粉磨中得到应用〔5〕。ZMF内分级式振动磨是振动磨粉碎原理和结构上的另一创新。这种振动磨采用独特的环形粉碎腔,并将粉碎和分级集于一身,便于控制产品细度和粒度分布;由于介质充填率高达80%以及独特的三元回转(垂直翻滚和水平)运动,介质对物料的作用强度大、能量利用率较高。这种内分级式振动磨的振幅3～5mm,给料粒度≤1mm,产品细度(d97)可达10μm,但目前ZMF内分级式振动磨的应用或生产实践还很